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ÓPTICA PURA Y APLICADA. www.sedoptica.es Opt. Pura Apl. 46 (2) 137-146 (2013) - 137 - © Sociedad Española de Óptica Sección Especial / Special Section: X Reunión Nacional de Óptica Microscopía de barrido con muestreo espacial del plano del detector Scanning microscopy with spatial sampling of the detector plane Emilio Sánchez-Ortiga (1,*,S) , Genaro Saavedra (1,S) , Colin Sheppard (2) , Ana Doblas (1,S) , Manuel Martínez-Corral (1,S) , Pedro Andrés (1,S) 1. Departamento de Óptica, Universidad de Valencia, Dr. Moliner 50, 46100, Burjassot, Spain. 2. Division of Bioengineering, National University of Singapore, 7 Engineering Drive 1, Singapore. (*) Email: [email protected] S: miembro de SEDOPTICA / SEDOPTICA member Recibido / Received: 10/12/2012. Revisado / Revised: 26/02/2013. Aceptado / Accepted: 01/03/2013. DOI: http://dx.doi.org/10.7149/OPA.46.2.137 RESUMEN: Se presenta la implementación de un microscopio confocal de barrido en el cual se emplea como detector una cámara CCD. Este tipo de detección posee numerosas ventajas con respecto a la detección típica en la microscopia confocal. Se demuestra la aplicabilidad de nuestro sistema que, al realizar un muestreo espacial de la distribución de intensidades en el plano del detector, permite llevar a cabo técnicas de aumento de la resolución tridimensional del sistema. Palabras clave: Microscopía Láser Confocal de Barrido, Imagen 3D, Super-Resolución. ABSTRACT: We present the implementation of a confocal scanning microscope in which the signal detection is performed through a matrix sensor, specifically, a CCD camera. This kind of detection has several advantages over the conventional detection in confocal microscopes. One of those advantages is the possibility to recover information of the sample that vanishes when the confocal image is directly acquired by the integration of light into a signal. We demonstrate the applicability of the system which allows implementing super-resolution techniques in a very easy manner. Key words: Confocal Laser Scanning Microscopy, 3D Imaging, Super-Resolution. REFERENCIAS Y ENLACES / REFERENCES AND LINKS [1]. E. Sánchez-Ortiga, C. J. R. Sheppard, G. Saavedra, M. Martínez-Corral, A. Doblas, A. Calatayud, “Subtractive imaging in confocal scanning microscopy using a CCD camera as a detector”, Opt. Lett. 37, 1280-1282 (2012). DOI [2]. C. J. R. Sheppard, A. Choudhury, Image formation in scanning microscope, Opt. Acta 24, 1051-1073 (1977). DOI [3]. T. Wilson, R. Carlini, “Size of the detector in confocal imaging systems”, Opt. Lett. 12, 227-229 (1987). DOI [4]. T. Wilson, Y R. Carlini, “Effect of detector displacement in confocal imaging system”, Appl. Opt. 27, 3791-3799 (1988). DOI [5]. R. Heitzmann, V. Sarafis, P. Munroe, J. Nailon, Q. S. Hanley, T. M. Jovin, “Resolution enhancement by subtraction of confocal signals taken at different pinhole sizes”, Micron 34, 293-300 (2003). DOI [6]. C. J. R. Sheppard, C. J. Cogswell, “Confocal microscopy with detector arrays”, J. Mod. Opt. 37, 267-279 (1990). DOI [7]. M. Martínez-Corral, G. Saavedra, “The resolution challenge in 3D optical microscopy”, Prog. Opt. 53, 1- 67 (2009). DOI

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Opt. Pura Apl. 46 (2) 137-146 (2013) - 137 - © Sociedad Española de Óptica

Sección Especial / Special Section: X Reunión Nacional de Óptica

Microscopía de barrido con muestreo espacial del plano del detector

Scanning microscopy with spatial sampling of the detector plane

Emilio Sánchez-Ortiga(1,*,S), Genaro Saavedra(1,S), Colin Sheppard(2), Ana Doblas(1,S),

Manuel Martínez-Corral(1,S), Pedro Andrés(1,S)

1. Departamento de Óptica, Universidad de Valencia, Dr. Moliner 50, 46100, Burjassot, Spain.

2. Division of Bioengineering, National University of Singapore, 7 Engineering Drive 1, Singapore.

(*) Email: [email protected] S: miembro de SEDOPTICA / SEDOPTICA member

Recibido / Received: 10/12/2012. Revisado / Revised: 26/02/2013. Aceptado / Accepted: 01/03/2013.

DOI: http://dx.doi.org/10.7149/OPA.46.2.137

RESUMEN:

Se presenta la implementación de un microscopio confocal de barrido en el cual se emplea como detector una cámara CCD. Este tipo de detección posee numerosas ventajas con respecto a la detección típica en la microscopia confocal. Se demuestra la aplicabilidad de nuestro sistema que, al realizar un muestreo espacial de la distribución de intensidades en el plano del detector, permite llevar a cabo técnicas de aumento de la resolución tridimensional del sistema.

Palabras clave: Microscopía Láser Confocal de Barrido, Imagen 3D, Super-Resolución.

ABSTRACT:

We present the implementation of a confocal scanning microscope in which the signal detection is performed through a matrix sensor, specifically, a CCD camera. This kind of detection has several advantages over the conventional detection in confocal microscopes. One of those advantages is the possibility to recover information of the sample that vanishes when the confocal image is directly acquired by the integration of light into a signal. We demonstrate the applicability of the system which allows implementing super-resolution techniques in a very easy manner.

Key words: Confocal Laser Scanning Microscopy, 3D Imaging, Super-Resolution.

REFERENCIAS Y ENLACES / REFERENCES AND LINKS

[1]. E. Sánchez-Ortiga, C. J. R. Sheppard, G. Saavedra, M. Martínez-Corral, A. Doblas, A. Calatayud, “Subtractive imaging in confocal scanning microscopy using a CCD camera as a detector”, Opt. Lett. 37, 1280-1282 (2012). DOI

[2]. C. J. R. Sheppard, A. Choudhury, “Image formation in scanning microscope”, Opt. Acta 24, 1051-1073 (1977). DOI

[3]. T. Wilson, R. Carlini, “Size of the detector in confocal imaging systems”, Opt. Lett. 12, 227-229 (1987). DOI

[4]. T. Wilson, Y R. Carlini, “Effect of detector displacement in confocal imaging system”, Appl. Opt. 27, 3791-3799 (1988). DOI

[5]. R. Heitzmann, V. Sarafis, P. Munroe, J. Nailon, Q. S. Hanley, T. M. Jovin, “Resolution enhancement by subtraction of confocal signals taken at different pinhole sizes”, Micron 34, 293-300 (2003). DOI

[6]. C. J. R. Sheppard, C. J. Cogswell, “Confocal microscopy with detector arrays”, J. Mod. Opt. 37, 267-279 (1990). DOI

[7]. M. Martínez-Corral, G. Saavedra, “The resolution challenge in 3D optical microscopy”, Prog. Opt. 53, 1-67 (2009). DOI

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1. Introducción

La microscopía confocal se ha erigido en una de

las técnicas más útiles y sencillas de realizar

dentro de la microscopía óptica moderna. A

pesar de que fue propuesta hace más de medio

siglo ha sido en las últimas dos décadas cuando

ha encontrado su auge gracias a diferentes

desarrollos tecnológicos. Dentro de estos

desarrollos se encuentran el láser, los detectores

de área extensa, así como los sistemas de barrido

con precisión sub-micrométrica. La idea clave de

este microscopio óptico, que rompe ciertas

barreras de la microscopia convencional en

términos de resolución, es la conjunción de una

iluminación puntual de la muestra y una

detección puntual de la luz reflejada por la

misma. Como se muestra en la Fig. 1, esto se

consigue proyectando sobre la muestra, a través

de un objetivo de microscopio, el haz láser

emitido a la salida de una fibra óptica. La luz que

refleja dicha muestra es colectada por el mismo

objetivo de microscopio y, mediante un divisor

de haz (BS), es proyectada sobre un orificio de

dimensiones microscópicas. Este orificio, al que

llamamos pinhole, actúa eliminando la luz que

proviene de planos desenfocados de la muestra

confiriéndo al sistema su capacidad de

seccionado óptico. La luz que atraviesa el pinhole

llega a un detector de área extensa,

normalmente un tubo fotomultiplicador (PMT),

que la transfiere en una señal eléctrica. Dicha

señal es almacenada en un ordenador como un

píxel de la imagen confocal. Para obtener una

imagen bidimensional (2D) es necesario realizar

un barrido trasversal de la muestra. Asimismo,

gracias a la capacidad de seccionado óptico del

sistema, es posible realizar una imagen sintética

tridimensional (3D) a partir de la compilación de

pilas de imágenes 2D capturadas mediante un

barrido axial de la muestra.

En el sistema que proponemos se sustituye el

pinhole y el detector de área extensa por una

cámara CCD [1]. Ésta se sitúa en el plano del

pinhole, es decir, en el plano del espacio imagen

conjugado con el plano focal objeto del objetivo

de microscopio. Como veremos, este tipo de

detección alternativa no sólo permite obtener

imágenes equivalentes a las de un microscopio

confocal si no que le confiere al sistema una

mayor flexibilidad y permite la implementación

de una manera sencilla de técnicas de aumento

de resolución.

Fig. 1. Esquema de un microscopio confocal de barrido.

2. Fundamento teórico

En esta sección realizaremos una descripción

teórica de la formación de imágenes en un

microscopio confocal de barrido teniendo en

cuenta la forma del detector. Introduciremos

también la técnica conocida como imagen

confocal substractiva que produce un aumento

en la resolución tridimensional del sistema. Esto

servirá de motivación para la propuesta de

detección matricial empleando una cámara que

realice un muestreo espacial del plano del

detector. Hay que puntualizar que utilizaremos

los términos detector y pinhole indistintamente

ya que éste último es el elemento que afecta al

proceso de formación de imágenes en

microscopia confocal.

2.a. Formación de imágenes confocal

A continuación vamos a considerar la formación

de imágenes coherente a través de un

microscopio confocal de barrido. Para ello,

suponemos que el sistema tiene simetría de

revolución entorno al eje óptico y que se tiene

un detector puntual centrado en dicho eje y

situado en el plano imagen del sistema de

colección. Tras realizar un barrido

tridimensional, teniendo un objeto con una

reflectancia en amplitudes dada por y

para una longitud de onda de iluminación , la

distribución de intensidades de la imagen

confocal viene dada por [2]:

(1)

siendo y

las coordenadas normalizadas en la

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dirección radial y axial, respectivamente, el

ángulo de apertura del objetivo y , , la

respuesta impulsional en amplitudes de los

sistemas de iluminación y colección dadas por:

(2)

siendo , la función pupila del

objetivo de microscopio y la función de

Bessel de primera especie de orden cero. Si

asumimos que los sistemas de colección e

iluminación son iguales, se puede demostrar que

la respuesta impulsional en intensidades del

microscopio confocal en las direcciones

transversal y axial puede escribirse en la forma

(3)

donde es la función de Bessel de primera

especie de orden uno. Es fácil ver que ambas

respuestas corresponden a la respuesta

impulsional de un sistema convencional elevada

al cuadrado. Como consecuencia, la respuesta

impulsional 3D de un microscopio confocal es

más estrecha que la de un microscopio

convencional lo que supone una mayor

resolución. En la Fig. 2 se representa un corte

axial de la respuesta impulsional de ambos

microscopios.

2.b. Influencia de la geometría del detector

En la sección anterior hemos considerado que la

imagen confocal se obtiene a través de la

integración de la luz que atraviesa un pinhole

puntual centrado eje en una señal para cada

posición de barrido. En la práctica el detector

posee un cierto tamaño ya que la relación señal

ruido disminuye drásticamente a medida que se

reduce el tamaño del detector. Se puede

demostrar [3] que para un detector circular de

tamaño finito, , la respuesta impulsional del

microscopio confocal viene dada por:

(4)

donde

(5)

y siendo el radio del detector. Para los dos

casos límites del tamaño del detector se obtiene

una expresión sencilla de la respuesta

impulsional en intensidades del microscopio

confocal:

(6)

Como vemos, si el detector es puntual se

obtiene la respuesta impusional de un

microscopio confocal ideal mientras que si el

tamaño del detector tiende a infinito

(equivaldría a un microscopio de barrido sin

Fig. 2. Representación de un corte axial de la respuesta impulsional en un (a) microscopio convencional, (b) microscopio confocal.

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Fig. 1. Respuesta impulsional en intensidades de un microscopio confocal de barrido para (a) distintos radios a del detector, (b) un detector puntual separado una distancia con respecto al eje óptico en la dirección transversal.

pinhole) la respuesta impulsional es

exactamente la misma que para un microscopio

convencional. En el resto de casos estaríamos en

una situación intermedia, es decir, dependiendo

del tamaño del detector se produciría un

ensanchamiento equivalente de la respuesta

confocal ideal (ver Fig. 3(a)).

Otro de los parámetros que influyen en la

distribución de intensidades de un microscopio

confocal de barrido es la posición del detector.

Una vez conocido el efecto del tamaño del

detector, es interesante estudiar como varía la

respuesta impulsional del sistema cuando se

considera un detector puntual desplazado una

cantidad con respecto al eje óptico. Es fácil ver

que dicha respuesta, en la dirección transversal,

puede expresarse como [4]:

(7)

En las curvas de la Fig. 3(b), se observa que

existen ciertas posiciones del detector que

producen una respuesta impulsional en la

dirección transversal más estrecha que para el

caso en el que éste se encuentra centrado en el

eje óptico. Sin embargo, conforme aumenta la

separación con respecto al eje óptico, aparecen

unos lóbulos laterales que distorsionan dicha

respuesta. En realidad la influencia del tamaño

del detector puede entenderse a partir de lo que

ocurre cuando se tiene un detector infinitesimal

desplazado. Para un cierto tamaño del detector,

la respuesta impulsional vendría dada por la

integración de la respuesta de distintos

detectores infinitesimales desplazados dentro

del área del detector de tamaño finito.

2.c. Mejora en la resolución tridimensional

por combinación de señales para

distintos tamaños de pinhole

Como hemos visto en la sección 2(b), la

geometría y la posición del detector tienen un

papel fundamental en las características de la

distribución de intensidades imagen obtenida en

un microscopio confocal. Si bien supone una

limitación práctica a la hora de aproximarse al

caso ideal, es posible aprovechar esta

dependencia para aumentar la resolución

tridimensional del sistema. Existen una serie de

técnicas que permiten mejorar la resolución de

un microscopio confocal por medio de la

combinación de señales obtenidas con

detectores de distinta geometría. Una de dichas

técnicas es la conocida como imagen

substractiva en microscopia confocal [3]. Se basa

en la substracción de las señales,

apropiadamente escaladas, obtenidas barriendo

la muestra en ausencia de pinhole (o con un

pinhole relativamente grande) y con un pinhole

de tamaño óptimo para la detección confocal. De

este modo, la distribución de intensidades

obtenida para la imagen substractiva se puede

escribir como:

(8)

siendo un factor de peso que permite escalar

ambas señales convenientemente. La respuesta

impulsional de la imagen substractiva en las

direcciones transversal y axial viene dada por:

(9)

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Fig. 2. Representación de la respuesta impulsional en las direcciones transversal y axial para los microscopios convencional y confocal y las obtenidas mediante la técnica de imagen substractiva.

Para obtener una respuesta óptima el factor

de peso se escoge de forma que:

(10)

En la Fig. 4 se puede observar como la técnica

de imagen substractiva presenta una respuesta

impulsional más estrecha tanto en la dirección

transversal como en la axial con respecto a la del

microscopio confocal y, por tanto, una mejor

resolución.

Para poder llevar a cabo esta técnica en un

microscopio confocal estándar son necesarios

dos brazos de colección: uno de los brazos sin

pinhole y el otro con un pinhole de pequeño

tamaño. Lógicamente este proceso requiere de

una perfecta alineación entre ambos brazos de

colección de tal forma que las señales

substraídas correspondan a zonas equivalentes

de la muestra.

2.d. Muestreo espacial en el plano del

detector

Como hemos visto el microscopio confocal,

empleado en condiciones óptimas, posee mayor

resolución que un microscopio convencional.

Este hecho puede resultar paradójico teniendo

en cuenta que en el microscopio confocal se

desecha cierta información por medio del

empleo del pinhole. Dicha paradoja no es tal ya

que, como se deduce de los cálculos anteriores,

se esta incorporando al sistema información

acerca de como se distribuye espacialmente la

luz en el plano del detector. Es fácil comprender,

pues, el papel crucial que juega el tamaño del

pinhole en la detección confocal. Idealmente

dicha detección se realiza con un pinhole

infinitesimal. En la práctica se emplean

diferentes tamaños de pinhole (dependiendo del

objetivo de microscopio empleado) que van de

unas pocas decenas a cientos de micras. A

medida que el tamaño del pinhole aumenta la

imagen confocal se “emborrona” como

consecuencia de la adición de información a la

imagen confocal ideal, aproximándose a la que

se obtendría con un microscopio convencional

cuando el tamaño del detector es

suficientemente grande. Mediante este

razonamiento se puede concluir que al integrar

en una señal la luz que atraviesa el pinhole se

está perdiendo gran cantidad de información.

Esto sugiere un tipo alternativo de detección

confocal, mediante el uso de un detector

matricial, en el que se realiza un muestreo

espacial en el plano del detector de la

distribución de intensidades imagen del campo

reflejado por la muestra para cada posición de

barrido. El empleo de un detector matricial en

microscopía confocal fue propuesto años atrás

[6]. Sin embargo, al no existir un detector óptimo

para llevarla a cabo, este tipo de detección no

tuvo un gran impacto. El rápido desarrollo de los

sensores CCD en los últimos años hace viable la

detección matricial presentándola no sólo como

una seria alternativa a la detección usual, si no

abriendo la posibilidad de realizar un procesado

de la señal confocal para cada posición de

barrido de la muestra.

Para una cámara con píxeles

separados una distancia , suponiendo

que éstos son infinitesimales, colocada en el

plano imagen, la función del detector matricial

vendría dada por:

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(11)

_________________________________________________

donde hemos escrito la coordenada radial

normalizada en función de sus componentes

transversales y donde hemos supuesto que

el píxel central de la cámara se sitúa centrado

sobre eje óptico. Es directo ver que se registran

distintas señales correspondientes a detectores

desplazados con respecto al eje óptico para cada

posición de barrido de la muestra. Por tanto, es

posible combinar dichas señales elementales

para obtener una señal equivalente a la

detección confocal, con la flexibilidad de poder

variar tanto el tamaño del detector como su

posición. Asimismo, surge la posibilidad de

obtener señales correspondientes a distintos

detectores en paralelo, de tal forma que es

directo implementar técnicas de aumento de

resolución como la presentada en la subsección

anterior.

3. Montaje experimental

Como hemos dicho, el microscopio confocal

propuesto se basa en la sustitución del pinhole y

el detector de área extensa por una cámara CCD

situada en el plano del detector. El software que

hemos desarrollado permite controlar distintos

parámetros de la cámara como son la ganancia,

tiempo de exposición y el número de píxeles

activos de la cámara así como su posición. La

señal para una posición de barrido se obtiene

mediante la integración numérica de los píxeles

activos de la cámara. La posibilidad de elegir el

número de píxeles activos de la cámara es muy

relevante a la hora de realizar una imagen ya que

el tiempo de respuesta de la cámara depende de

dicho número y, a su vez, determina el tiempo de

adquisición para cada posición del barrido. Una

de las ventajas del sistema es que de esta

manera tenemos un pinhole sintético de tamaño

variable y cuya alineación puede llevarse a cabo

de manera muy sencilla. Obviamente, dicho

pinhole sintético presentará una forma cuadrada

(o bien de círculo pixelado). Por otra parte, si la

muestra se ilumina por transmisión con una

fuente extensa de luz blanca, es posible

identificar la zona de barrido mediante la

visualización directa de la imagen de campo

claro capturada por la cámara CCD. Además, si el

sensor posee tres canales cromáticos se puede

llevar a cabo la adquisición en color de imágenes

confocales (dentro de las limitaciones

espectrales del filtro de Bayer del sensor). De

esta forma, nuestra implementación también

supone una reducción de coste debido a que la

realización de detección en color en un

microscopio confocal estándar exige tres tubos

fotomultiplicadores con sus correspondientes

filtros. Las ventajas anteriores sumadas a la

posibilidad de realizar diferentes técnicas

basadas en el muestreo espacial del plano del

detector otorgan gran robustez y flexibilidad al

sistema.

El microscopio de barrido propuesto se

muestra en la Fig. 5. En éste se emplea un láser

He-Ne de longitud de onda 632.8 nm acoplado a

una fibra óptica para iluminar puntualmente la

muestra. El barrido de la muestra se realiza

mediante un sistema piezoeléctrico (PZT) que

permite desplazamientos tridimensionales de

0.1 m. En la mayoría de los resultados que se

mostrarán más adelante se empleó un objetivo

de microscopio de aumento 100× y apertura

numérica (AN) 0.9. Dicho objetivo de

microscopio está conjugado al infinito por lo que

se emplean dos lentes de tubo de 200 mm de

distancia focal tanto en iluminación como en

Fig. 5. Esquema del microscopio confocal propuesto en el que se realiza un muestreo espacial del plano del detector para cada posición de barrido de la muestra.

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colección. La cámara CCD empleada posee 8-bits,

1600×1400 píxeles de 4.4 m de tamaño. Si se

emplea todo el detector la máxima velocidad de

adquisición es de 6 frames por segundos. Sin

embargo, para los tamaños típicos del pinhole

(entre 4×4 y 20×20 píxeles activos) la velocidad

de adquisición aumenta hasta cerca de los 500

frames por segundo.

4. Resultados

En primer lugar probaremos las características

del microscopio propuesto como sistema

formador de imágenes. Para ello, se realiza la

imagen de un test USAF-1951 de alta resolución

en negativo, creado por una deposición de

cromo sobre vidrio con una serie de líneas

transparentes. La imagen obtenida tras el

barrido con un pinhole sintético de 6x6 píxeles

se muestra en la Fig. 6(a). Para evaluar la

resolución del sistema en la dirección

transversal empleamos una microesfera

reflectante con un diámetro más pequeño que la

respuesta impulsional del sistema. El perfil

obtenido de dicha microesfera se representa en

la Fig.6(b). El valor teórico de la anchura a media

altura (FWHM) de la respuesta impulsional en la

dirección transversal para el objetivo de

microscopio usado en este experimento es de 0.7

m, que coincide con el valor obtenido

experimentalmente a partir del perfil de la

microesfera. Para evaluar la resolución en la

dirección axial se realizó un barrido de un espejo

plano en la dirección del eje óptico. La curva

obtenida en dicho barrido es una buena

aproximación de la respuesta impulsional del

sistema en la dirección axial y se conoce como la

función . Este proceso lo realizamos para

distintos tamaños del pinhole sintético, como

puede verse en la Fig. 6(c). La FWHM de la

respuesta impulsional teórica en la dirección

para un sistema confocal ideal con el objetivo de

microscopio empleado es de 1.09 m, valor al

que se aproxima la medida experimental para el

pinhole sintético más pequeño.

Por último, para comprobar la capacidad de

seccionado óptico del sistema se empleó

nuevamente el test USAF-1951 pero esta vez

inclinado con respecto al eje óptico. Se tomó la

imagen para un tamaño de pinhole sintético de

50×50 píxeles y otra con 8×8 píxeles. Como era

de esperar (ver Fig. 7), para el pinhole sintético

grande la luz proveniente de planos que están

fuera de foco sigue estando presente mientras

que en el otro caso dicha luz es bloqueada por el

pinhole sintético.

Una vez probada la funcionalidad del sistema

veamos cómo implementar la técnica de imagen

subtractiva en el mismo. Como dijimos en la

sección 2.c, en un microscopio confocal estándar

son necesarios dos brazos de colección con

distintos tamaños de pinhole para poder llevar a

cabo la técnica. Sin embargo, con nuestro

sistema ambas señales se pueden obtener en

paralelo a partir de un único brazo de colección

y estando seguros de la perfecta alineación del

sistema. Para obtener una imagen substractiva

se sigue el siguiente procedimiento: en la

adquisición se selecciona un número de píxeles

activos relativamente grande, a los que

Fig. 6. Evaluación de las características del microscopio como sistema formador de imágenes, (a) Imagen confocal de un test USAF-1951 de alta resolución en negativo, (b) perfil de la imagen obtenida de una microesfera reflectante de 0.1mm de radio (evaluación de la respuesta impulsional en la dirección transversal), (c) curvas V(z) para distintos tamaños del pinhole sintético.

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Fig. 7. Imágenes del test USAF-1951 en negativo al que se le ha inducido una cierta inclinación con respecto al eje óptico para tamaños del pinhole sintético de: (a) 50×50 píxeles, (b) 8×8 píxeles.

Fig. 8. Medida de la respuesta impulsional mediante (a) barrido transversal de una microesfera de 0.1 m de radio y (b) curvas .

llamaremos pinhole sintético abierto y que sería

equivalente a la captura sin pinhole. A partir de

este pinhole sintético es posible extraer la señal

que se obtendría con un pinhole cerrado

aplicando una máscara de recorte que seleccione

un pequeño número de píxeles. Para cada

posición de barrido se obtienen

simultáneamente las señales del pinhole

sintético abierto y cerrado y, mediante la

combinación apropiada de ambas, la señal

substractiva.

En la Fig. 8 se muestran las medidas

experimentales de la respuesta impulsional

transversal y axial para los casos: pinhole

sintético abierto formado por 60×60

píxeles activos, pinhole sintético cerrado

formado por 8×8 píxeles activos y la

correspondiente señal substractiva . Al

igual que anteriormente, para medir la respuesta

impulsional transversal se escaneó una

microesfera reflectante mientras que en la

dirección axial se realizó el barrido de un espejo

plano en la dirección del eje óptico. Como puede

verse la respuesta impulsional en ambos casos

es sensiblemente más estrecha en la señal

substractiva que en la señal confocal.

En la Fig. 9 se muestran imágenes de un corte

de piel de cebolla obtenidas con nuestro sistema

para los distintos casos. Como puede observarse,

la calidad visual de la imagen obtenida mediante

la substracción de las señales e

ha aumentado notablemente. Esta mejoría se

puede evaluar en términos de las frecuencias

espaciales que han sido transmitidas a través del

sistema, es decir, analizando el dominio de

Fourier (ver Fig. 10). Como puede verse,

mediante la técnica substractiva se obtiene una

mayor eficiencia en la transmisión de

frecuencias medias y altas. De hecho, es posible

entender el proceso de formación de imágenes

confocales substractivas como un cambio en el

reparto de pesos otorgado a las componentes

espacio-frecuenciales de la imagen confocal. De

este modo, las frecuencias espaciales altas en la

imagen substractiva se han transmitido con un

peso mayor al que tendrían mediante la

formación de imágenes puramente confocal.

Con el fin de obtener un resultado más visual

que el anterior, empleamos un objetivo de

microscopio cuya AN y aumento son inferiores a

las del usado anteriormente, en concreto, un 50×

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Fig. 9. Imágenes de un corte de piel de cebolla obtenidas con nuestro sistema y sus respectivas transformadas de Fourier para los casos: (a) pinhole sintético abierto, (b) pinhole sintético cerrado y (c) imagen substractiva resultante. En la transformada de Fourier se representa la frecuencia de corte mediante una circunferencia de línea discontinua.

Fig. 3 Perfiles de las transformadas de Fourier para los casos de pinhole sintético abierto (convencional), pinhole sintético cerrado y la técnica substractiva.

Fig. 11. Cortes transversales y axiales de una muestra de celulosa obtenidos con nuestro sistema para los casos de (a)-(d) un pinhole sintético abierto (convencional), (b)-(e) un pinhole sintético cerrado (confocal) y (c)-(f) la obtenida mediante la combinación de ambas (substractiva).

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Fig. 12. Transformadas de Fourier de los cortes axiales correspondientes a los casos (a)pinhole sintético abierto, (b) pinhole sintético cerrado y (c) técnica substractiva. Las coordenadas y corresponden a las frecuencias espaciales en la dirección transversal y axial, respectivamente.

y 0.55 AN. Como objeto se emplean fibras de

celulosa. En la Fig. 11 se muestra un corte

transversal y uno axial de las imágenes

obtenidas para pinhole abierto, cerrado y con la

técnica substractiva. Nótese que, dado que el

paso de barrido (0.1 m) es aproximadamente

10 veces menor que el límite en resolución

transversal marcado por la difracción para el

objetivo de microscopio empleado, estas

imágenes presentan un emborronamiento

notable. En este caso, además de la mejoría en la

resolución transversal, tanto en los cortes

transversales como en los axiales se aprecia una

notable mejora en la capacidad de seccionado

óptico del sistema cuando se obtiene la imagen

substractiva. Para entender mejor este efecto,

hemos calculado las funciones de transferencia

óptica en la dirección axial para los tres casos

bajo estudio. En el caso de pinhole sintético

abierto, Fig. 12(a), se observa claramente el cono

de pérdidas [7]. La presencia de dicho cono

implica que las frecuencias axiales no han sido

transmitidas a través del sistema. Por otro lado,

en las Figs. 12(b)-(c), se comprueba que para la

técnica substractiva este cono se ha rellenado

con mayor eficiencia que en el caso puramente

confocal.

5. Conclusiones

Hemos presentado un tipo de detección

alternativa para un microscopio confocal de

barrido en el que se realiza un muestreo del

plano del detector empleando una cámara CCD.

Las señales obtenidas por los distintos píxeles se

pueden combinar de distintas formas, de modo

que es posible obtener imágenes confocales para

distintos tamaños y posiciones del pinhole a

partir de un único barrido de la muestra. Esto

permite implementar técnicas de aumento de

resolución tridimensional basadas en la

combinación de imágenes confocales obtenidas

mediante pinholes de distintos tamaños. Como

hemos demostrado, el sistema presenta gran

robustez y flexibilidad. Además su

implementación en un microscopio convencional

comercial es directa sin más que añadir una

entrada de fibra óptica un cabezal de barrido.

Agradecimientos

Este trabajo ha sido financiado por el Plan

Nacional I+D+I por el proyecto FIS2009-9135 y

por la Generalitat Valenciana mediante el

proyecto PROMETEO2009-077.